第四节 吸收塔的计算

*,*,水对人类是有道德和灵性的,中南林业科技大学化工原理,2.4,吸收塔的计算,内容,:,通过物料衡算及操作线方程，确定吸收剂的用量和塔设备的主要尺寸（塔径和塔高）。,塔内流体的流向选择,填料塔内气液两相可作逆流也可作并流流动。,无论逆流或并流,液体从塔顶进入,;,当逆流时气体从塔底进入,并流时塔顶进入,;,在两相进出口浓度相同的情况下，逆流的平衡推动力大于并流。,逆流时下降至塔低的液体与进塔的气体相接触，有利于提高出塔的液体浓度，且减小吸收剂的用量；上升至塔顶的气体与进塔的新鲜吸收剂接触，有利于降低出塔气体的浓度，可提高溶质的吸收率。,逆流操作时向下流的液体受到上升气体的作用,这种曳力过大时会阻碍液体的顺利下流，因而限制了吸收塔所允许的液体和气体流量，这是逆流的缺点。,图,7-13,逆流吸收塔操作示意图,吸收过程中，气相中的溶质不断转移到液相中来，使其在气体混合物中的量不断减少，而在溶液中的量不断增多。但气相中惰性气体量和液相中吸收剂的量始终是不变的。,2.4.1,吸收塔的物料衡算与操作线方程,2.4.1.1,物料衡算,物料衡算时，以不变的惰性气体流量和吸收剂流量作为计算基准，并用比摩尔比表示气相液相的组成。,全塔溶质的减少量等于液相中溶质的增加量,V(Y,1,-Y,2,)=L(X,1,-X,2,),惰性气体的摩尔流量,Kmol,/S,吸收剂摩尔流量,Kmol,/S,2.4.1.2,吸收塔的操作线方程与操作线,以逆流为例,:,塔内任一截面与塔底作溶质的物料衡算，得操作线方程,V(Y,1,- Y) = L(X,1,- X),吸收过程操作线,任一截面处气相中溶质的摩尔比，,Kmol,(,溶质,)/,Kmol,(,惰性气,),任一截面处液相中溶质的比摩尔，比,Kmol,(,溶质,)/,Kmol,(,溶剂,),并流时,:,V(Y,2,-Y,1,)=L(X,1,-X,2,),操作线方程,V,Y,2,L,X,2,M,N,V,Y,1,L,X,1,L,X,V,Y,Y,X,Y=F(X),Y,2,X,2,Y,1,X,1,平衡线与操作线的交点位置在塔底,最大吸收率为出口气相与吸收液组成相平衡,.,2.4.2,吸收剂用量的决定,出塔气体摩尔比,Y,2,的给出形式：,如果溶质是有害气体，一般直接规定,Y,2,的值。,如果吸收的目的是回收有用物质，则以回收率的形式给出,Y,2,=Y,1,(1-),吸收剂用量对操作的影响,当气体处理量一定时，,V,Y,1,Y,2,及,X,2,已知时,操作线斜率,L /V,取决于吸收剂用量的多少。,若增大吸收剂用量，则操作线向远离平衡线方向偏移由,TB,变,TB,吸收推动力增大，传质速率增加，在单位时间内吸收同量溶质时设备尺寸可以减小,。,溶液浓度变稀，溶剂再生所需设备费和操作费增大。,若减小吸收剂用量则情况正相反。当吸收剂用量减小到使操作线由,TB,变,TB*,，此时传质的推动力为零，所需的相际接触面积为无穷，此时吸收剂用量为最小,用,Lmin,表示。,吸收塔的最小液气比,L,min,时,B,*,点是平衡线与操作线在,Y=Y,1,处的交点,如果平衡曲线的形状使操作线与平衡线相切,此时最小液气比的计算式中,Xmax,的数值只能读,B,，的横坐标,不能由,Y* =,mX,求得,.,Lmim,求出后,应根据生产上的要求,控制一个适宜的,L,值,即最适宜吸收剂用量：,L=,（,1.1,2,）,Lmin,.,例,2-8,：在逆流吸收塔中，用洗油吸收焦炉气中的芳烃。吸收塔压强为,105kPa,，温度为,300K,，焦炉气流量为,1000m,3,/h,，其中所含芳烃组成为,0.02,（摩尔分率,下同），回收率为,95%,，进塔洗油中所含芳烃组成为,0.005,。若取吸收剂用量为最小用量的,1.5,倍，试求进入塔顶的洗油摩尔流量及出塔吸收液组成。（操作条件下气液平衡关系为,Y*=0.125X,）。,解,:,进入吸收塔的惰性气体摩尔流量为,进塔气体中芳烃的摩尔比,出塔气体中芳烃的摩尔比,进塔洗油中芳烃摩尔比,L,为每小时进塔纯溶剂用量。由于入塔洗油中含有少量芳烃，则每小时入塔的洗油量应为,L=L(1+X,2,)=7.63kmol/h,2.4.4,填料层高度的计算,2.4.4.1,填料层高度的基本计算式,逆流操作填料塔填料层高度,传质速率方程适用于稳定操作的吸收塔中的,“,某一横截面,”,，而不能用于全塔。对于整个吸收塔，气、液的浓度分布都沿塔高变化，吸收速率也在变化。,对微元填料层作组分,A,衡算,微元填料层,dZ,中的吸收速率方程式,单位体积有效传质面积,a ,同体积填料的比表面积,s,，,a,与填料的形状、尺寸及充填状况,(,整砌、乱堆,),有关，还受流体物性,(m,、,s,等,),及流动状况的影响，数值不好测定，所以和传质系数合在一起处理。,K,Y,a,、,K,X,a -,体积吸收系数,，,Kmol/m,3,.s,，物理意义为单位推动力下，单位时间、单位体积填料层内吸收的溶质量。,2.4.4.2,传质单元高度与传质单元数,=,H,OG,*N,OG,= H,OL,*N,OL,H,OG,的物理意义,假设某吸收过程所需填料层高度恰好等于一个传质单元高度,传质单元高度,传质单元高度的物理意义如果气体流经一段填料后,气相浓度变化量,Y,1,-Y,2,恰好等于该段填料层内以气相浓度差表示的总推动力的平均值,(Y-Y*)m,则该段填料层的高度就是一个传质单元高度,Y,1,-Y,2,=(Y-Y*)m,H,OG,是设备性能的体现，其中的,K,Y,a,反映传质阻力的大小，填料性能的优劣及润湿情况的好坏，吸收过程的传质阻力越大，填料层的有效比表面积越小，每个传质单元高度所相当的填料层高度就越大。一般变化幅度不大。,N,OG,可认为它所代表需要填料层高度,Z,相当于气相总传质单元高度,H,OG,的倍数，此倍数称为“气相总传质单元数”。,N,OG,反映传质的难易程度，为减少,N,OG,应设法增大推动力。任务所要求的气体浓度变化越大，过程的平均推动力越小，则意味过程难度越大，所需传质单元数越多。,2.4.4.3,传质单元数的计算,(1),图解积分法,步骤,作操作线和相平衡关系曲线；,然后在操作线上任取一点，得,X,，,Y,；,由,X,可得,Y*,，计算,1/,（,Y-Y*,）,按上法取,n,点，对,Y1/,（,Y-Y*,）作图,所得函数曲线与,Y=Y1,，,Y=Y2,及,1/,（,Y-Y*,）,=0,三条直线之间所包围的面积即气相总传质单元数,N,OG,。,(2),脱吸因数,(S),法,应用前提：,在吸收过程涉及的浓度范围内平衡关系可以用线性方程,Y*=,mX+b,表示。,X =X,2,+ V/L,（,Y-Y,2,）,操作线与平衡线斜率之比定义为吸收因数, A=,S =1/A,脱吸因数,N,OG,的数值取决于,S,与,反映溶质吸收率的高低，在气液进口浓度一定的情况下，要求的吸收率越高，,Y2,越小,越大，对应,同一,S,值的,NOG,越大。,参数,S,反映推动力的,大小。在气液进口浓度,及溶质吸收率已知的条,件下， 确定,S,增,大，则液气比减少，出,口浓度提高而塔内吸收,推动力变小，,N,OG,必然,增大。,若要获得最高吸收率，必须采用较大的液体量，使操作线的斜率大于平衡线斜率，即,S1,才有可能。,若要获得最浓的吸收液，必然力求使出塔液体与进塔气体趋近平衡，采用较小的液体量，使操作线,斜率小于平衡线斜率,.,（,3,） 对数平均推动力法,应用前提,：在吸收过程涉及的浓度范围内平衡关系可以用线性方程,Y*=,mX+b,对于都是直线的平衡线和操作线，它们的差值,Y=Y-Y*,与,Y,将呈线性关系,(,类似传热时的,tm)Y,-X,也成直线关系,.,对数平均推动力法求,N,OG,对数平均推动力可用算术平均推动力代替,注意两者的区别,:,例：用一填料塔从一混合气体中逆流吸收所含的苯,混合气体中含苯,5%(,体积,%),其余为空气,要求苯的回收率为,90%(,以摩尔比表示,).,吸收塔为常压操作,温度,25,入塔混合气体为,940,标准,m,3,入塔吸收剂为纯煤油,煤油的耗用量为最小耗用量的,1.5,倍,已知该系统的平衡关系,Y=0.14X,已知气相体积传质系数,K,Y,a,=0.035kmol/m,3,s,纯煤油的平均分子量,M,S,=170,塔径,D=0.6m,。求,:(1),吸收剂的耗用量,kg/h,；,(2),溶剂出塔浓度,x,1,；,(3),填料层高度,Z,Y,1,=0.0526,=(Y,1,-Y,2,)/Y,1,Y,2,=0.00526,X2=0,混合气体体积,=940/22.4=41.96kmol/h,惰性气体量,V=41.96(1-0.05)=39.86kmol/h,(L/,V),min,=m,=0.126,L,min,=0.126V=5.02kmol/h,L=1.5,L,min,=7.53kmol/h,吸收剂的耗用量,=170*7.53=1280kg/h,V(Y,1,-Y,2,)=L(X,1,-X,2,),39.86(0.0526-0.00526)=7.53X,1,X,1,=0.25,，,x,1,=X,1,/(1+X,1,)=0.2,Z=H,OG,N,OG,H,OG,=V/,K,Y,a,=1.12m,NOG=,S=0.74,N,OG,=4.64,Z=5.2m,例,:,在常压填料吸收塔中，用清水吸收废气中氨气，废气流量为,2500m,3,/h,（标准状态下），其中氨气浓度为,0.02,（摩尔分率），要求回收率不低于,98%,，若水用量为,3.6m,3,/h,，操作条件下平衡关系为,Y,*,=1.2X,（式中,X ,Y,为摩尔比），气相总传质单元高度为,0.7m,，求,:(1),塔低、塔顶推动力；全塔对数平均推动力,;(2),气相总传质单元数,;(3),填料层高度。,解,:,例,:,空气和氨的混合气体，在直径为,0.8m,的填料吸收塔中用清水吸收其中的氨。已知送入的空气量为,1390kg/h,，混合气体中氨的分压为,1.33kPa,，经过吸收后混合气中有,99.5%,的氨被吸收下来。操作温度为,20,，压力为,101.325kPa,。在操作条件下，平衡关系为,Y*=0.75X,。若吸收剂（水）用量为,52kmol/h,。已知氨的气相体积吸收总系数,KYa,=314kmol/(m3.h ),。试求,:(1),吸收液的出塔组成,;(2),所需填料层高度。（用吸收因数法）。,解,:,例,:,一正在操作的逆流吸收塔，进口气体中含溶质浓度为,0.05,（摩尔分率，下同），吸收剂进口浓度为,0.001,，实际液气比为,4,，操作条件下平衡关系为 ，此时出口气相中含溶质为,0.005,。若实际液气比下降为,2.5,，其它条件不变，计算时忽略传质单元高度的变化，试求此时出塔气体浓度及出塔液体浓度各为多少？,